Konzepte für integrierte kapazitive Spannungswandler mit hoher Eingangsspannung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Bernhard Wicht
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 491790667

Übergeordnetes Ziel ist die Erforschung kapazitiver Spannungswandler (auch Switched-Capacitor- bzw. SC-Wandler) für höhere Spannungen >100V und moderate Ausgangsleistung im Bereich von einigen hundert Milliwatt. Die Ergebnisse der Forschung sollen experimentell in einem Wandlersystem gezeigt werden, das aus einem Hochvolt-Mikrochip und kompakt ausgelegten externen Bauelementen bestehen soll. Dies wurde bisher im Stand der Wissenschaft und Technik nicht erreicht. Die geplante Forschung adressiert somit ein Gebiet, für das keine Lösungen publiziert sind. Einsatzgebiete können Sensorversorgung im Auto und Gebäude, hochintegrierte Spannungs¬versorgung für IoT und USB-Ladegeräte sein. Die Teilziele beinhalten Arbeiten auf Architektur- und Schaltungsebene. Zunächst gilt es, geeignete Schaltungsarchitekturen zu erarbeiten und passende Hochvolt-SOI-Halbleitertechnologien zu identifizieren. Die Erforschung und Eingrenzung des Parameterraums für SC-Wandler erfordern die Modellierung des Flächenbedarfs von Kapazitäten und Schaltern und der relevanten Verlustmechanismen. Zu bewertende Lösungsansätze auf Architekturseite beinhalten Multi-Ratio-Wandler und eine Erweiterung Richtung resonanter Konzepte (durch Kombination mit einer üblicherweise sehr kleinen Induktivität). Basierend auf der Vorarbeit zu diesem Forschungsvorhaben, soll konkret ein Mehrphasenansatz untersucht werden. Durch zusätzliche Phasen je Schaltperiode wird mehr Ladung zwischen den Kondensatoren ausgetauscht und auf den Ausgang übertragen. Damit ist es möglich, höhere Wandlungsverhältnisse mit einer kleineren Anzahl an Kapazitäten als im 2 Phasen-Betrieb zu realisieren. Mit steigender Spannung steigen auch die Anforderungen bei der Implementierung von Schaltungen. Daher sollen Hochvolt-Schaltungen für die Ansteuerung und Regelung der identifizierten Architekturen erarbeitet werden. Ein Teilziel widmet sich der Frage, ob es möglich ist, eine allgemein anwendbare und hocheffiziente Lösung für die Erzeugung der fliegenden Gate-Treiber-Spannung an den integrierten Leistungsschaltern zu entwickeln. Hierfür gibt es nach dem Stand der Technik bisher nur unzureichende Lösungen. Nach Erarbeitung der Architekturen und Schaltungen werden Varianten von integrierten Spannungswandlern als Mikrochip implementiert, hergestellt, als System aufgebaut und experimentell bewertet. Neben der Gesamtfunktionalität werden Parameter wie Wirkungsgrad, Lasteigenschaften, Störfestigkeit (CMTI) untersucht und somit auch der Modellierungsgrad überprüft.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen